JP5964542B2 - フォーカス制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、実際にレンズを移動させて焦点位置を決定するフォーカス制御回路に関する。

一般のデジタルカメラ、および携帯電話機に搭載されているカメラモジュールの多くには、オートフォーカス機能が搭載されている。このようなコンパクトなカメラに搭載されるオートフォーカス機能には、コントラスト検出方式が採用されることが多い。コントラスト検出方式は、実際にレンズを移動させて、撮像画像内の被写体のコントラストが最大化されるレンズ位置を検出し、その位置にレンズを移動させる方式である（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００６−１６６４０３号公報

コントラスト検出方式は、被写体に赤外線や超音波を照射して、その反射波から被写体までの距離を測定するアクティブ方式と比較し、低コストで実現することができる。ただし、被写体のコントラストが最大化されるレンズ位置を探索するまでに時間がかかるという問題がある。デジタルカメラの場合、ユーザがシャッターボタンを半押しした後、被写体にフォーカスを合わせるまでの処理が、１秒以内に完了することが望まれる。

ところで、一般のデジタルカメラ、および携帯電話機に搭載されているカメラモジュールの画素数は年々増加しており、これらコンパクトなカメラでも、高精細な画像が撮影可能になってきている。高精細な画像では、ピントずれが目立ちやすく、より高精度なオートフォーカス制御が求められる。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、実際にレンズを移動させて焦点位置を決定するオートフォーカス制御において、合焦精度を低下させずに処理時間を短縮させる技術を提供することにある。

本発明のある態様のフォーカス制御回路は、レンズと、当該レンズの位置を調整するための駆動素子と、当該レンズの位置を検出するための位置検出素子と、を備える撮像装置に搭載されるフォーカス制御回路であって、位置検出素子の出力信号により特定されるレンズの位置と、設定される位置との差分をもとに、レンズの位置を、設定される位置に合わせるための駆動信号を生成し、駆動素子を制御するイコライザと、外部からレンズの目標位置の変更指示を受けると、旧目標位置から新目標位置に到達するまで、それらの範囲の複数の位置を、順次、イコライザに設定する位置設定部と、を備える。

本発明の別の態様は、撮像装置である。この装置は、レンズと、レンズを透過した光を電気信号に変換する撮像素子と、レンズの位置を調整するための駆動素子と、レンズの位置を検出するための位置検出素子と、上述したフォーカス制御回路と、を備える。

本発明によれば、実際にレンズを移動させて焦点位置を決定するオートフォーカス制御において、合焦精度を低下させずに処理時間を短縮させる。

実施の形態に係るフォーカス制御回路を搭載した撮像装置の構成を示す図である。 画像信号処理部による、レンズの合焦位置の決定処理について説明するための図である。 位置設定回路からイコライザに設定される位置の推移例を示す図である。 画像信号処理部から位置設定回路に設定されるパラメータを説明するための図である。

図１は、実施の形態に係るフォーカス制御回路１００を搭載した撮像装置５００の構成を示す図である。撮像装置５００は、レンズ１０、駆動素子１２、位置検出素子１４、撮像素子１６、画像信号処理部（ＩＳＰ；Image Signal Processor）５０およびフォーカス制御回路１００を備える。ここでは、画像符号化エンジンや記録媒体など、オートフォーカス制御に関連しない構成要素は省略して描いている。

撮像素子１６は、光学部品であるレンズ１０を透過した光信号を電気信号に変換し、画像信号処理部５０に出力する。撮像素子１６には、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサを採用することができる。

駆動素子１２は、レンズ１０の位置を調整する素子であり、フォーカス制御回路１００から供給される駆動信号に応じて、レンズ１０を光軸方向に移動させる。これにより、レンズ１０と撮像素子１６の焦点距離が調整される。駆動素子１２には、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）を採用することができる。

位置検出素子１４は、レンズ１０の位置を検出するための素子である。位置検出素子１４には、ホール素子を採用することができる。以下、駆動素子１２および位置検出素子１４は、ボイスコイルモータとホール素子を含むアクチュエータで構成される例を説明する。

画像信号処理部５０は、撮像素子１６から出力される画像信号を処理する。本実施の形態では、主に、撮像素子１６から出力される画像信号をもとに、レンズ１０の合焦位置を決定する。

図２は、画像信号処理部５０による、レンズ１０の合焦位置の決定処理について説明するための図である。シャッターボタンが半押しされるなど、オートフォーカス機能が有効化されると、画像信号処理部５０は、レンズ１０を所定のステップ幅で移動させるための制御信号をフォーカス制御回路１００に送信する。その際、画像信号処理部５０は、レンズ１０の各目標位置において撮像された各画像信号のシャープネスを算出する。たとえば、シャープネスは各画像信号にハイパスフィルタをかけて、各画像信号のエッジ成分を抽出し、各画像信号のエッジ成分を積算することにより、求めることができる。画像信号処理部５０は、シャープネスが最大値となるレンズ１０の位置を、合焦位置と決定する。

図２では、２段階のスキャンにより合焦位置を決定する例を示している。１段階目のスキャンではレンズ１０の位置を粗く変更して、レンズ１０の合焦位置をある程度の範囲に絞る。より具体的には、増加を続けてきたシャープネスが減少に転じた目標位置と、その一つ前の目標位置との間の範囲を、レンズ１０の合焦位置が存在する範囲と特定する。２段階目のスキャンでは、１段階目のスキャンにより絞られた範囲内で、レンズ１０の位置を細かく変更し、シャープネスが最大値となるレンズ１０の位置を、合焦位置に決定する。この２段階のスキャンにより、合焦位置を高速かつ高精度に探索することができる。

図１に戻り、フォーカス制御回路１００は、差動増幅回路２０、ローパスフィルタ２２、アナログ／デジタル変換回路（ＡＤＣ）２４、イコライザ３０、位置設定回路３５、ＰＷＭ変調回路４０およびＨブリッジドライバ４２を備える。なお、フォーカス制御回路１００がワンチップＬＳＩで構成される場合、ローパスフィルタ２２はチップ外に設けられてもよい。

差動増幅回路２０は、位置検出素子１４（ここでは、ホール素子）の出力端子間の電位差を増幅し、位置信号として出力する。当該ホール素子はフォーカス制御機構を構成する筐体に固定され、レンズ１０に固定されたマグネットにより作られる磁界の磁束密度に応じた電圧を出力する。レンズ１０の移動により磁束密度が変化すると、当該ホール素子の出力電圧もその変化に比例して変化する。したがって、当該ホール素子の出力電圧から、レンズ１０の位置を推測することができる。なお、位置検出素子１４をレンズ１０に固定し、マグネットを筐体に固定する構成としても、ホール素子の出力電圧から、レンズ１０の位置を推測することができる。

ローパスフィルタ２２は、差動増幅回路２０から出力される位置信号の高周波数成分を除去する。アナログ／デジタル変換回路２４は、ローパスフィルタ２２から出力される位置信号を、アナログ値からデジタル値に変換する。

イコライザ３０は、位置検出素子１４の出力信号により特定される現在のレンズ１０の位置と、位置設定回路３５により設定されるレンズ１０の位置との差分をもとに、レンズ１０の位置を、位置設定回路３５により設定される位置に合わせるための駆動信号を生成し、駆動素子１２を制御する。

以下、より具体的に説明する。イコライザ３０は、減算回路３１およびサーボ回路３２を含む。減算回路３１は、位置検出素子１４から出力される位置信号と、位置設定回路３５から設定される位置信号との差分を算出して、偏差信号としてサーボ回路３２に出力する。レンズ１０の位置が、位置設定回路３５から設定される位置に存在する場合、この偏差信号はゼロとなる。サーボ回路３２は、減算回路３１から入力される偏差信号を打ち消すための信号を生成して、ＰＷＭ変調回路４０に出力する。

オートフォーカス機能が有効化されているとき、画像信号処理部５０は、レンズ１０の位置を順次、変化させるための制御信号を、Ｉ２Ｃインターフェースなどのインターフェースを経由して位置設定回路３５に出力する。

ＰＷＭ変調回路４０は、イコライザ３０から入力される信号を、そのデジタル値に応じたデューティ比を持つパルス信号に変換する。Ｈブリッジドライバ４２は、少なくとも四つのトランジスタを含み、対角線上の二つのトランジスタがオンすることにより、上記ボイスコイルモータに電流を流すことができる。また、別の対角線上の別の二つのトランジスタがオンすることにより、上記ボイスコイルモータに流す電流の向きを逆にすることができる。

Ｈブリッジドライバ４２は、ＰＷＭ変調回路４０から入力されるパルス信号に応じた、電流の向きおよび電流量で上記ボイスコイルモータに電流を流して、上記ボイスコイルモータを、所定の方向へ所定の距離、移動させる。これにより、レンズ１０を目標位置へ移動および収束させることができる。

位置設定回路３５は、画像信号処理部５０からレンズ１０の目標位置の変更指示を受けると、旧目標位置から新目標位置に到達するまで、それらの範囲の複数の位置を順次、イコライザ３０に設定する。より具体的には、位置設定回路３５は、旧目標位置から新目標位置へレンズ１０を漸次的に移動させるべく、段階的に増加する複数の位置を生成し、順次、イコライザ３０に設定する（以下、この一連の処理にかかる動作をステップムーブ動作と表記する）。なお、レンズ１０を反対方向に移動させる場合、位置設定回路３５は、段階的に減少する複数の位置を生成し、順次、イコライザ３０に設定する。

上記複数の位置が生成される範囲は、厳密に、旧目標位置と新目標位置との間の範囲に区切るものではなく、旧目標位置および新目標位置の近傍までを含む範囲とする。たとえば、上記複数の位置うちの最後の位置が、新目標位置を超えた位置であってもよい。

図３は、位置設定回路３５からイコライザ３０に設定される位置の推移例を示す図である。ここでは、上述した１段階目のスキャンにおける当該位置の推移例を考える。上述したように画像信号処理部５０は、レンズ１０の目標位置ごとに上記シャープネスを算出する。すなわち、旧目標位置から新目標位置への１回の移動と、シャープネスの１回の算出判定とが１セットの処理となる。この１セットの処理が繰り返されることにより、シャープネスが最大値となる位置を特定することができる。

上記１セットの処理は、あらかじめ設定された１フォーカス判定期間内に実行される必要がある。レンズ１０が旧目標位置に位置する状態で、新目標位置をイコライザ３０に設定すると、レンズ１０が大きな駆動力を受けて急激に移動することになり、新目標位置でレンズ１０の動きが収束するまでの時間が長くかかってしまう。この場合、１フォーカス判定期間内に、シャープネスの算出判定が完了しない可能性が高くなる。

そこで、本実施の形態では、レンズ１０を緩やかに移動させるため、上記ステップムーブ動作によりレンズ１０を移動させる。これにより、図３に示すように１フォーカス判定期間の移動期間内に、レンズ１０を漸次的に移動させることができる。

図４は、画像信号処理部５０から位置設定回路３５に設定されるパラメータを説明するための図である。ここでは、上記１フォーカス判定期間の移動期間における、レンズ位置の推移を示している。ステータス信号は、上記ステップムーブ動作が実行されているとき有意（ここではハイレベル）となり、当該動作が実行されていないとき非有意（ここではローレベル）となる信号である。画像信号処理部５０は、当該ステータス信号をハイレベルに設定することにより、上記ステップムーブ動作を開始させる。位置設定回路３５は、当該ステップムーブ動作が終了すると、当該ステータス信号をローレベルに設定する。

画像信号処理部５０は、レンズ１０の目標位置を変更するたびに、上記制御信号として、開始位置、終了位置、ステップ幅、および更新間隔を位置設定回路３５に送信する。位置設定回路３５は、レンズ１０の目標位置が変更されるたびに、画像信号処理部５０から、開始位置、終了位置、ステップ幅、および更新間隔を受け、それらをもとにイコライザ３０に設定する位置を生成する。

以下、より具体的に説明する。まず、位置設定回路３５は、当該開始位置をイコライザ３０に設定する。当該開始位置を設定してから当該更新間隔が経過すると、位置設定回路３５は、当該開始位置に当該ステップ幅を加算した位置をイコライザ３０に設定する。その位置を設定してから当該更新間隔が経過すると、位置設定回路３５は、当該位置に当該ステップ幅を加算した位置をイコライザ３０に設定する。以下、この処理を、イコライザ３０に設定する位置が当該終了位置に到達するまで繰り返す。位置設定回路３５は、当該終了位置をイコライザ３０に設定したら、１回のステップムーブ動作を終了する。なお、イコライザ３０に設定する位置が当該終了位置と一致しない場合、位置設定回路３５は、当該終了位置を初めて超えた位置をイコライザ３０に設定したら、１回のステップムーブ動作を終了する。

なお、前回のステップムーブ動作の終了位置と、今回のステップムーブ動作の開始位置が同じ場合、画像信号処理部５０は、位置設定回路３５への開始位置の供給を省略することができる。また、前回のステップムーブ動作のステップ幅および更新間隔と、今回のステップムーブ動作のステップ幅および更新間隔が同じ場合、画像信号処理部５０は、位置設定回路３５へのステップ幅および更新間隔の供給を省略することができる。

また、画像信号処理部５０は、上記ステップ幅に極性情報（たとえば、極性ビット）を設定可能である。位置設定回路３５は、受信したステップ幅に極性情報が設定されている場合、その極性にしたがった方向に、イコライザ３０に設定する位置を更新し、当該極性情報が設定されていない場合、あらかじめ設定された方向（たとえば、正の方向）に、イコライザに設定する位置を更新する。

以上説明したように実施の形態１によれば、実際にレンズを移動させて焦点位置を決定するオートフォーカス制御において、合焦精度を低下させずに処理時間を短縮させることができる。すなわち、レンズ１０を旧目標位置から新目標位置へ移動させる際、段階的に変化する複数の位置信号を順次、イコライザ３０に入力することにより、レンズ１０を新目標位置へ漸次的に移動させることができる。したがって、レンズ１０の移動が緩やかになり、新目標位置でのレンズ１０の動きが収束する時間を短縮することができる。

この点、収束時間が長くなってしまうと、収束しない状態で上記シャープネスの算出判定を行うか、収束するまで待つ必要があるが、前者の場合、合焦精度の低下につながり、後者の場合、処理時間の増大につながる。

また、１フォーカス判定期間の移動期間に、イコライザ３０に設定すべき複数の位置を画像信号処理部５０が生成して設定するのではなく、フォーカス制御回路１００の位置設定回路３５が生成して設定することにより、画像信号処理部５０が生成して設定する場合より、処理時間を短縮することができる。とくに、位置設定回路３５を専用のハードウェアで構成すれば、ソフトウェア処理と比較し、処理時間を大きく短縮することができる。

また、各目標位置でレンズ１０が収束した状態でシャープネスを算出するため、精度の高いシャープネスを算出することができる。精度の高いシャープネスを基礎に上記焦点位置を決定することにより、合焦精度を向上させることができる。

以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

また、以上の実施の形態では、上記ステップムーブ動作を上記１段階目のスキャンに適用する例を説明したが、上記２段階目のスキャンに適用してもよい。また、以上の実施の形態では、合焦位置の決定処理を２段階のスキャンで行う例を説明したが、複数の段階に分けずに１回のスキャンを行う方式、および３段階以上のスキャンを行う方式を採用してもよい。上記ステップムーブ動作は、それらのいずれのスキャンにも適用可能である。

また、以上の実施の形態では、駆動素子１２はボイスコイルモータとしたが、ピエゾ素子やステッピングモータなどを用いてもよい。また、位置検出素子１４はホール素子としたが、ＭＲ素子またはフォトスクリーンダイオードなどを用いてもよい。また、駆動素子１２を駆動するための駆動回路として、ＰＷＭ変調回路４０およびＨブリッジドライバ４２を用いたが、パルス信号ではなく、アナログ信号で駆動される駆動素子が採用される場合、その駆動回路として、デジタル／アナログ変換回路および増幅回路が用いられる。

１０ レンズ、 １２ 駆動素子、 １４ 位置検出素子、 １６ 撮像素子、 ２０ 差動増幅回路、 ２２ ローパスフィルタ、 ２４ アナログ／デジタル変換回路、 ３０ イコライザ、 ３１ 減算回路、 ３２ サーボ回路、 ３５ 位置設定回路、 ４０ ＰＷＭ変調回路、 ４２ Ｈブリッジドライバ、 ５０ 画像信号処理部、 １００ フォーカス制御回路、 ５００ 撮像装置。

Claims (4)

1. レンズと、当該レンズの位置を調整するための駆動素子と、当該レンズの位置を検出するための位置検出素子と、を備える撮像装置に搭載されるフォーカス制御回路であって、
   前記位置検出素子の出力信号により特定される前記レンズの位置と、設定される位置との差分をもとに、前記レンズの位置を、設定される位置に合わせるための駆動信号を生成し、前記駆動素子を制御するイコライザと、
   前記レンズの各位置において撮像された画像信号をもとに前記レンズの合焦位置を決定するイメージシグナルプロセッサから前記レンズの目標位置の変更指示を受けると、旧目標位置から新目標位置に到達するまで、それらの範囲の複数の位置信号を、順次、前記イコライザに設定する専用ハードウェアで構成される位置設定回路と、
   を備えることを特徴とするフォーカス制御回路。
2. 前記位置設定回路は、旧目標位置から新目標位置へ前記レンズを漸次的に移動させるべく、段階的に増加または減少する複数の位置信号を生成し、順次、前記イコライザに設定することを特徴とする請求項１に記載のフォーカス制御回路。
3. 前記位置設定回路は、前記レンズの目標位置が変更されるたびに、前記イメージシグナルプロセッサから、開始位置、終了位置、ステップ幅、および更新間隔を受け、それらをもとに前記イコライザに設定する位置信号を生成することを特徴とする請求項１または２に記載のフォーカス制御回路。
4. 前記ステップ幅には、極性情報が設定可能であり、
   前記位置設定回路は、前記ステップ幅に極性情報が設定されている場合、その極性にしたがった方向に前記イコライザに設定する位置信号を更新し、当該極性情報が設定されていない場合、あらかじめ設定された方向に前記イコライザに設定する位置信号を更新することを特徴とする請求項３に記載のフォーカス制御回路。

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